Теоретически и практически доказано, что самый простои способ гашения электрической дуги - в вакуумных выключателях, так как в вакуумных камерах практически отсутствует среда, проводящая электрический ток. В эксплуатации вакуумный выключатель также более прост, чем маломасляный или электромагнитный. Прекрасные дугогасящие свойства глубокого вакуума позволили создать выключатели на напряжение 10 кВ, которые благодаря своим преимуществам постепенно вытесняют маломасляные и электромагнитные выключатели. Преимущества применения вакуумных выключателей в КРУ: отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды и масляного хозяйства:
высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ;
снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации; быстрое восстановление электрической прочности - (10--50) х 103 В/мкс;
полная взрыво- и пожаробезопасность;
повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам;
произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в конструкции выключателя;
широкий диапазон температур окружающей среды, в котором может работать ВДК (от минус 70 до 200 °С);
бесшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные малым выделением энергии в дуге и отсутствием внешних эффектов при отключении токов КЗ;
отсутствие загрязнения окружающей среды; высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах АПВ;
сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические нагрузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности привода; легкая замена ВДК. К недостаткам можно отнести:
возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов;
трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием контактных материалов, сложностью вакуумного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума;
большие вложения, необходимые для осуществления технологии производства, и поэтому большая стоимость.
Применяемые в вакуумных выключателях ВДК на напряжение 10 кВ номинальным током отключения до 31,5 к А имеют зазоры между контактами 4-10 мм и поэтому с его малыми габаритами легко достигаются высокие скорости и малые времена срабатывания. Погасание электрической дуги удается получить при первом же прохождении тока через нуль, т.е. через 0,02 с, однако при отключении относительно большого тока случается, что погасание дуги происходит не при первом, а при втором или третьем подходе тока к нулю. Эрозия контактов под действием дуги незначительна, проблема ухудшения вакуума на протяжении длительного времени эксплуатации решена, а это значит, что срок службы вакуумных выключателей практически неограничен, необходимость ревизий и ремонта на весь срок службы отсутствует, поэтому целиком и полностью зависит от работы встроенного в выключатель привода.
Вакуумная дугогасительная камера состоит из герметической стеклянной или керамической оболочки, в которой создается вакуум порядка 1,33 * 10-4 Па (10~6мм рт. ст.). Внутри камеры расположены электростатические экраны, подвижный и неподвижный контакты. Подвижный контакт укреплен в оболочке на металлическом сильфоне, обеспечивающем необходимую подвижность контакта и одновременно герметичность внутренней полости оболочки. Габариты камеры зависят от номинального напряжения, тока и тока отключения. На рис. 22 Изображен схематический разрез камеры типа КДВ-10-1600-20, которая применена в вакуумном выключателе ВВЭ-10-1600-20.
Рис. 22. Камера вакуумная КДВ-10-1600-20 1 — изолятор; 2 — прокладка металлическая; 3 — ввод подвижный; 4 — направляющая; 5 — сильфон; 6 — фланец концевой; 7 — экран концевой; 8 — экран средний; 9 — зазор; 10 — электрод дугогасительный; 11 — контакт; 12 — ввод неповижный
Контактная система торцевого типа состоит из контактов и дугогасящих электродов. Контакты имеют вид полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Дугогасящие электроды представляют собой диски, разрезанные спиральными прорезями на три сектора. Направление спиралей в противолежащих электродах встречно. Между контактами и дугогасящими электродами имеется зазор. Форма контактов задает такой путь тока, при котором на дугу, возникающую при размыкании тока, действует радиальное электродинамическое усилие, заставляющее дугу перемещаться на дугогасящие электроды. Радиальные прорези в контактах и зазор между контактами и дугогасящими электродами увеличивают плотность тока в контактах и, следовательно, радиальное электродинамическое усилие, действующее на дугу. Вместе с тем эти контакты позволяют получить небольшое активное сопротивление камеры, что важно для пропускания больших номинальных токов. Секторы в противолежащих дугогасящих электродах образуют три пары рельсов, по которым движется дуга, переходя с одной парой рельсов на другую, до погасания при переходе тока через нуль. Контакты и дугогасящие электроды спаяны с медными вводами, один из которых - неподвижный, другой - подвижный и соединен с одним из концевых фланцев через сильфон из нержавеющей стали.
Экранная система камеры состоит из трех экранов, причем средний из них изолирован от вводов и находится под свободным потенциалом, два концевых экрана имеют потенциалы соответствующих вводов. Экранная система выполняет следующие функции: защищает внутренние изолирующие поверхности от осаждения продуктов эрозии контактов, благодаря этому сохраняется внутренняя изоляция камеры после многократных коммутаций тока; задает распределение потенциалов внутри камеры, в частности, уменьшает напряженность электрического поля на спаях диэлектрика с металлом и на краях дугогасящих электродов.
Оболочка камеры состоит из двух секций изоляторов из керамики марки 22ХС, соединенных между собой металлической прокладкой. Наружная поверхность изоляторов имеет ребра для увеличения пути утечки по изоляции при выпадении росы. Камера снабжена направляющей из силумина. Ход подвижного контакта камеры составляет 12 мм, средняя скорость хода при отключении 1,7-2,3 м/с, при включении 0,6-0,9 м/с, допустимый износ контактов 4 мм. Эти параметры являются оптимальными, так как при их уменьшении снижаются электрическая прочность, отключающая способность и увеличивается износ контактов, при увеличении снижается ресурс сильфо- на. Изоляция камеры соответствует требованиям ГОСТ 1516.1 - 76* для нормальной изоляции.
При размыкании контактов выключателя число проводящих контактных точек уменьшается. Последняя точка вытягивается в расплавленный металлический мостик, быстро нагревается под действием тока до температуры кипения и испаряется. В образовавшемся облаке металлического пара возникает дуговой разряд. При горении вакуумной дуги происходит расплавление металла контактов, часть которого оседает на экранах, защищающих внутренние поверхности оболочки камеры от загрязнения. С увеличением тока эрозия быстро возрастает и является основной причиной, ограничивающей увеличение отключаемого тока. На ток отключения существенно влияют материал контактов, его чистота, скорость размыкания контактов и состояние вакуума.
При включении вакуммного выключателя и сближении его главных контактов еще до их соприкосновения происходит пробой вакуумного промежутка и образуется электрическая дуга. Поэтому медленное сближение контактов приводит к дополнительному, нежелательному выделению тепла, расплавлению металла контактов и их свариванию в одной или даже в нескольких точках.
Вибрация контактов внутри камеры также недопустима, она приводит к распылению и разбрызгиванию металла, это уменьшает контактную поверхность, ухудшает их рабочие поверхности и увеличивает слой напыленного металла на внутренней поверхности оболочки. Это приводит к уменьшению электрической прочности и сокращению срока службы камеры.
Редкие отказы в гашении дуги в вакуумном выключателе, могущие иметь место из-за механических или технологических Дефектов, не приводят к серьезным разрушениям всего выключателя или близко расположенного другого оборудования КРУ;
при небольших токах КЗ дуга не распространяется за пределы дефектной камеры.
Вакуумные выключатели имеют высокий коммутационный ресурс. Межревизионные интервалы вакуумных выключателей практически определяются механической стойкостью привода. В Японии, первой начавшей широко применять в эксплуатации КРУ с вакуумными выключателями, при сравнении их с другими выключателями на напряжения 6-35 кВ (баковыми масляными, маломасляными, электромагнитными) сделан вывод, что по всем показателям (отключающей способности, безопасности работы и обслуживания, надежности в работе, простоте обслуживания, а также работоспособности в экстремальных условиях) вакуумные выключатели имеют преимущества. Правильность сделанных выводов подтверждают тенденции уменьшения выпуска маломасляных выключателей в Японии в период с 1973 по 1980 г. с 75 до 35%, электромагнитных выключателей в период с 1974 по 1980 г. с 25 до 8%, в то же время выпуск вакуумных выключателей за этот же период вырос с 10 до 60%. Это обусловлено дальнейшим совершенствованием вакуумных выключателей - за последние 10 лет их габариты, диаметр камер и масса были уменьшены более чем в 2 раза, а в части контактов сделай переход к системам с продольным магнитным полем и контактным материалам на основе хром—медь.
Вакуумный выключатель ВВ-10-31,5 (готовится к производству) имеет то же назначение и применение, что и выключатель ВВЭ-10-31,5, и отличается только установкой пружинного природа. Выключатели намечается изготавливать только на ток отключения 31,5 кА с номинальными токами от 630 до 3150 А- Характеристики привода такие же, как и у выключателя ВК-10
Масса выключателя ВВ-10 на ток 630-1600 А 178-179 кг; 2000 и 3150 А 261-280 кг.
